بخشی از مقاله
چکیده
در تحقیق حاضر، تأثیر اعمال جریان الکتریکی بر ساختار ریختگی فلز آلومینیوم خالص مورد ارزیابی قرار گرفته است. هدف از این تحقیق، بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی فلز به کمک اصلاح ریزساختار از نظر شکل و اندازه دانه بوده است. طی این آزمایشات، با کنترل پارامترهای تأثیرگذار مانند دمای ذوبریزی، جنس قالب و شرایط محیطی انجماد، نحوهی اثرگذاری شدت آمپر بر ساختار فلز بررسی شده است. به این منظور، پس از فرآیند ریختهگری تحت شرایط مشخص، نمونهها آمادهسازی و متالوگرافی شده و تصاویر ماکروسکوپی از مقاطع آنها مورد بررسی و مقایسه قرار گرفتهاند. نتایج بدست آمده حاکی از آن است که ساختار ماکروسکوپی فلز در اثر اعمال جریان الکتریکی، دانهبندی ریزتری پیدا میکند و این اثر با افزایش شدت جریان، محسوستر خواهد شد. در بخش دیگری از این تحقیق، به بررسی نحوه قرارگیری الکترود در مذاب حین اعمال جریان الکتریکی پرداخته شده و پس از بررسیها مشخص شد که به منظور اثر گذاری بیشتر جریان، بهتر است که الکترودها بصورت عمودی در قسمت بالایی مذاب قرار بگیرند.
واژههای کلیدی: فلز آلومینیوم، ساختار ریختگی، جریان الکتریکی، شدت جریان، الکترود.
مقدمه
یکی از مشکلات اساسی که در زمینهی ریختهگری فلزات مختلف مطرح میشود، نامناسب بودن اندازه و شکل دانهها و فازها میباشد. برای رفع این مشکل، تاکنون روشهای مختلفی ارائه شده است که از جملهی آنها می توان به روش استفاده از مواد اصلاح ساز، اعمال ارتعاشات سونیک یا التراسونیک، ریختهگری دما پایین و استفاده از امواج مغناطیسی اشاره کرد. با این وجود، هرکدام از روشهای ذکر شده دارای مشکلات و محدودیتهایی هستند که امکان استفاده ازآنها را در برخی موارد دشوار میکند. بهمین منظور دانشمندان همچنان در پی بررسی روشهای جدید برای برطرف کردن این مشکل هستند.
اغلب فلزات و آلیاژها در شرایط متداول ریختهگری و انجماد دارای دانههایی ستونی میباشند، مگر آنکه فرآیند انجماد با دقت کنترل گردد. رسیدن به ساختار دانهای ریز در ساختار بعد از ریختهگری با افزایش تعداد موقعیتهای جوانه زنی و یا به وسیله تکثیر دانه امکانپذیر است. مک کارتنی1 ریزدانگی را بعنوان جلوگیری »سنجیده و عمدی« از رشد دانههای ستونی در شمشها و قطعات ریختگی و شکلگیری ساختار انجماد محوری ریز در میان ماده تعریف کرده است .[1] در بین فلزات و آلیاژهای متداول، بهبود ساختار انجمادی فلز آلومینیوم، با توجه به مصرف گسترده و کاربرد صنعتی آن، از اهمیت ویژهای برخوردار است. توجه به ریزدانه کردن آلومینیوم به سال 1930 و به تحقیق روسنهاین2 برمیگرددکه نشان داد اضافه کردن تیتانیوم به مذاب آلومینیوم قبل از ریختهگری باعث ایجاد ساختار دانهای هم محور بعد از انجماد میگردد و اندازه دانهها را کاهش میدهد .[2] بهم3 و سیکا4 از جمله اولین کسانی بودند که نشان دادند ریزدانه کردن تحت تاثیر اضافه کردن تیتانیوم میباشد و به طور مشخص باعث بهبود استحکام کششی و ازدیاد طول در آلیاژ ریختگی Al-4.5Cu میشود .[3] اما با این وجود سیبولا5 به دلیل تحقیقات برنامهریزی شده و هدفمندش بر روی ریزدانه کردن آلومینیوم به کمک عناصری نظیرW، V، Nb، Zr، B، Ti، Ce، Ta و تکنیکهای دیگر جوانه زنی، بعنوان پیشگام در این زمینه شناخته میشود .[4]
یکی از روشهایی که اخیراً مورد توجه محققین و پژوهشگران قرار گرفته است، روش استفاده از اعمال میدان الکتریکی بر مذاب در حین انجماد است. استفاده از میدان الکتریکی، برای اصلاح ساختار دانهای بسیاری از مواد فلزی بطور گسترده مورد ارزیابی قرار گرفته است و تاکنون یافتههای ارزشمندی از این تحقیقات بدست آمده است. با این وجود، اگرچه نتایج بدست آمده ازآزمایشات در این زمینه رضایتبخش بوده است، اما تاکنون مکانیزم دقیقی مبنی بر نقش اعمال میدان الکتریکی بر انجماد فلزات ارائه نشده است. بعضی از محققان بر این باور هستند که اعمال جریان الکتریکی به مذاب باعث توقف رشد کریستالها در منطقه خمیری میشود. با این حال، نتایج حاصل از تحقیقات انجام شده در این زمینه بیانگر این است که عبور جریان در حین رشد کریستال، باعث تغییر در شیب دمایی و غلظتی داخل جامد و مذاب شده و همچنین نرخ رشد فصل مشترک تغییر میکند و درنهایت منجر به اصلاح ساختار فلز در حال انجماد میشود.در سال 1985، محققی بنام ناکادا1 برای اولین بار از تکنیک اعمال جریان الکتریکی برای اصلاح ریزساختار استفاده کرد. او آزمایشات خود را بر روی آلیاژ Sn-Pb انجام داد و مشاهده کرد که با اعمال جریان پالسی، دانههای درشت دندریتی به دانههای ریز کروی شکل تبدیل میشوند .[5] بعد از تحقیقات ناکادا، یک پژوهشگر هندی بنام میسرا2 گزارشی را در خصوص تأثیر میدان الکترومغناطیس بر ساختار انجمادی فلزات منتشر کرد. میسرا با اعمال جریان مستقیم 40mA/Cm2 بروی آلیاژ Pb-Sb-Sn تحقیقات در این زمینه را ادامه داد و به این نتیجه رسید که اعمال جریان هم برروی مرحله جوانهزنی و هم برروی مرحله رشد تأثیرگذار است .6[]لیااُ3 پژوهشگر دیگری بود که در این زمینه به تحقیق پرداخت. نتایج آزمایشات او برروی ساختار انجمادی آلومینیوم خالص، نشان میدهد که فرآیند اصلاح ریزساختار توسط جریان الکتریکی پالسی، در فاز مذاب صورت نمیگیرد و این تکنیک تنها در مرحله جوانهزنی تأثیرگذار است .[7]
در چند دههی اخیر، این روش بسیار مورد توجه محققین و پژوهشگران قرار گرفته و آزمایشات زیادی بر روی فلزات مختلف به انجام رسیده است. همانطور که اشاره شد، با وجود اینکه نتایج بدست آمده از این آزمایشات چندان دور از انتظار نبوده است، اما تا به امروز هنوز تئوری و مکانیزم مشخصی توسط محققین در مورد علل حصول این نتایج ارائه نشده و چه بسا تحلیلهای ارائه شده توسط آنها، متناقض و یا حتی در تضاد با یکدیگر بوده است. لذا همچنان تحقیقات و آزمایشات در این زمینه ادامه دارد.
در ادامهی پژوهشهایی که تاکنون صورت گرفته است و با توجه عدم انجام آزمایشات کافی و نپرداختن محققین به تغییرات درفلزات خالص، تحقیق حاضر به بررسی تغییرات ماکروسکوپی در ساختار انجمادی آلومینیوم خالص در اثر اعمال جریان و همچنین ارتباط بین شدت جریان و اندازه دانه پرداخته است. علت اصلی انتخاب یک فلز خالص برای انجام آزمایشات، مشخص بودن و وضوح بهتر میزان تغییرات ناشی از اعمال جریان با
